加压溶气生化气浮法降解生活污水中有机物

第8卷第3期

环境工程学报

ChineseJournalofEnvironmentalEngineering

Vol．8，No．3Mar．2014

2014年3月

加压溶气生化气浮法降解

生活污水中有机物

张其殿

1

刘淑杰

2*

芦嵩林

2

陈福明

2

杨春平

1

（1．浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江省固体废物处理与资源化重点实验室，杭州310018；2．深圳清华大学研究院，

深圳市工业应用分离技术重点实验室，深圳市环境微生物资源开发与应用工程实验室，深圳518057）摘要将加压曝气生物氧化技术与加压溶气气浮工艺相结合，开发了一种快速处理生活污水的加压溶气生化气浮DAF），反应器（PA-并考察了反应器的泥水分离效果及压力、水力停留时间（HＲT）、气水比对其去除生活污水内有机物的影

HＲT1．5h（Q=1．0L/min），响。实验结果表明，在压力0．4MPa，气水比3∶1的条件下，生活污水COD去除率可稳定在

90%左右。同时发现，NH3-N去除效果不理想，有待后续研究进行优化。

关键词加压溶气生化气浮反应器生活污水有机物

中图分类号

X703．1

文献标识码

A

9108（2014）03-1051-06文章编号1673-

Degradationoforganiccompoundsindomesticsewagebypressured

aeration-dissolvedairflotationreactor

ZhangQidian1

LiuShujie2

LuSonglin2

ChenFuming2

YangChunping1

（1．ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofSolidWasteTreatmentandＲecycling，CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，ZhejiangGongshangUniversity，Hangzhou310018，China；2．ShenzhenKeyLaboratoryofSeparationTechnology，ShenzhenEngineeringLaboratoryforEnvironmentalMicrobiologyUtilization，ＲesearchInsituteofTsinghuaUniversityinShenzhen，Shenzhen518057，China）

AbstractApressuredaeration-dissolvedairflotationreactor（PA-DAF）wasdevelopedbycombiningthepressurizedaerationbio-oxidationtechnologyandthedissolvedairflotationprocess．Thesludge-waterseparation

andtheeffectsofpressure，hydraulicretentiontime（HＲT）andgas-waterratioontheremovalefficiencyoforgan-iccompoundswereinvestigated．TheresultsshowedthattheCODremovalefficiencywasupto90%whenthe

HＲTandgas-waterratioweremaintainedat0．4MPa，1．5hand3∶1，respectively．Nevertheless，thepressure，

removalefficiencyofNH3-Nneedstobeoptimizedinthefurtherresearch．

Keywordspressuredaeration-dissolvedairflotationreactor；domesticsewage；organiccompounds

加压生物氧化技术采用加压曝气的方式，提高供氧能力

［1］

及氧传递效率。由于其具有可以增大

DAF的可行性，要研究PA-并考察其对生活污水中

有机物的降解效果与影响因素，在此基础上为该新工艺的推广提供相关运行参数。

提高进水浓度及微生物的生物反应器的污泥负荷，

生化反应速率，缩小水力停留时间，降低工程造价

［2-5］

等优点，受到广泛关注。由于加压曝气之后，

［6］

1材料和方法

实验装置与流程

活性污泥絮体被完全打碎

，后续的泥水沉淀分离1．1

所以在加压曝气单元之后往往要使用一难度增大，

了运行成本和占地面积。

实验使用的压力溶气罐内径为450mm，高为

［7］［8，9］有效容积为90L。竖流气浮池由有机玻璃，个较大体积的沉淀池，甚至是脱气装置增加900mm，

为改进现有技术的不足，本研究旨在开发一种DAF），加压溶气生化气浮反应器（PA-即较常规加

基金项目：深圳市重点实验室（三大产业）资助项目（CXB201104-250056A）

收稿日期：2013－05－16；修订日期：2013－07－02

作者简介：张其殿（1987～），男，硕士研究生，研究方向为水污染控

mail：zqd0706@gmail．com制技术。E-E-mail：shuiyun16@163．com*通讯联系人，

压曝气工艺更为简单、高效的加压曝气气浮分离一

体化的新工艺组合。处理装置以加压曝气生物氧化工艺为原型，与加压溶气气浮技术相结合。本文主

10

52

环境工程学报第8卷

加工而成，直径为400mm，高为200mm。其中接触区直径为100mm，高为400mm，分离区直径为400mm，高为800mm。

实验流程如图1所示。污水由格栅池抽送进入

经泥水调节池与气浮池带有液位控制器的集水箱，

分离室排出的污泥充分混合，之后隔膜泵再把这部

分泥水混合物抽送至压力溶气罐内。泥水混合物在

进入竖溶气罐内经过一定时间的加压生化反应后，

流气浮池，进行泥水分离。浮出的污泥经排渣槽流出进入泥水调节池，完成污泥回流。压力容器罐底部装有微孔曝气装置，由空压机提供压力溶气罐内所需的压力和微生物生长所需的溶解氧。所用原水

NH3-N、pH在集水池内进行调节，的COD、以保证实验在相对稳定的条件下运行。

图1

Fig．1

实验装置与流程

Experimentaldevicesandprocessflowchart

1．2

自动控制系统件下稳定运行后多次测量的平均值。

PA-DAF采用恒压供水的方式进行自动化控1．5接种污泥、挂膜及实验的启动

制。压力溶气罐内的压力传感器设置恒定压力后，溶气罐内装有组合式双环填料，供生物挂膜，比

23

根据罐内压力的变化，调节进水水泵的流量，罐内液表面积350m/m，挂膜高度500mm，间隔60mm，位在小范围内波动，以此保持罐内压力恒定。罐内填充率20%。以深圳市西丽再生水厂的污泥为接压力不变，出水流量也不变。空压机出气口安装减种污泥，在压力溶气罐内闷曝2d后，加入葡萄糖、压阀，保持空压机出气压力与流量基本保持不变。氯化铵和磷酸二氢钾混合而成的C∶N∶P=100∶5∶1通过自动控制系统，保证实验条件（压力、出水流的营养液，以提供微生物生长所需的营养。期间每曝气量）的稳定。量、

1．3实验用水

实验以生活污水为研究对象，污水取自深圳市南山区西丽镇白芒村白芒污水处理厂格栅池过滤出水。在实验研究期间，格栅过滤后生活污水的主要

天曝气停止静置一定时间后取上清液测定COD，待

去除率达到一定程度并稳定，镜检显示生物相稳定且良好，则认为活性污泥培养及挂膜成功，再进行后续实验。

SS159～205水质指标为COD147～400mg/L，

mg/L，NH3-N12～34mg/L，pH6．0～8．0。实验水2．1气浮效果探讨温总体保持在25～30℃左右。实验用水分2部分：实验分别研究了3种絮凝剂：硫酸铁、氯化铁、

DAF中竖流气浮池泥水分一部分为实际生活污水；另一部分为往实际生活污聚合氯化铝（PAC）对PA-水内加入葡萄糖（碳源）、氯化铵（氮源）、磷酸二氢离效果的影响。絮凝剂配成溶液，采用湿法投加，控钾（磷源）配制的原水。

1．4实验方法

制压力0．3MPa。用1000mL量筒接取压力溶气罐排放口的出水，投加少量絮凝剂后，静置3min，测定

2实验结果与讨论

（1）水质指标测定。COD：快速密闭催化消解-量筒底部澄清水样SS值。确定絮凝剂的选择后，调

N：钠氏试剂分光光度法；SS：整压力分别为0．1、紫外分光光度法；NH3-0．2、0．3、0．4和0．5MPa，采用

［10］

同样方法，测定量筒底部水样的SS值，考察在各压重量法；pH：精密试纸。

（2）实验数据。本文中所用实验数据均为各条

力条件下竖流气浮池的泥水分离效果。

第3期张其殿等：加压溶气生化气浮法降解生活污水中有机物

10

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SS为13～19mg/L，的生物活性。本实验控制HＲT1h，投入PAC后静置的水样，曝气量5L/min，

均值16mg/L，投入硫酸铁和氯化铁的水样SS值分投入一定量的PAC作为絮凝剂，考察在压力分别为

15～30mg/L，2、0．3、0．4和0．5MPa条件下，别为18～38mg/L，均值分别为280．1、反应器对CODmg/L和23mg/L，对比可知硫酸铁与氯化铁的泥水处理效果不及PAC。这可能是因为压力溶气罐的

出水SS值较大，且经生化处理后可能含有尺寸极小的颗粒，而PAC能够提供大量的络合离子，使得微粒脱稳，并强烈吸附胶体微粒，使胶体凝聚，发生混凝凝聚作用，从而形成较大尺寸的絮体颗粒，进而增

［11］

大了颗粒与气泡之间的碰撞效率，更利于粘附上浮。

图2显示了在不同压力条件下，压力溶气罐的出水投入PAC静置后的SS值。由图可知，当压力SS值达到最大，为0．1MPa时，最大值为25mg/L。

SS值随压力从0．1MPa调整至0．5MPa的过程中，且变化趋势减缓。当压力为着压力的升高而降低，

0．5MPa时，压力溶气罐出水的SS值达到最低，最压力对泥水分离的效果低值16mg/L。由此可知，有显著影响，随着压力的增大，泥水分离的效果越来越好。这是因为在压力溶气罐内经过加压后的溶气水排出后，骤然释压，在常压下析出并形成数量众多的微气泡，这些微气泡与水中的悬浮颗粒物碰撞粘附后上升。而压力越大，释放出的微气泡尺寸越小、，更有利于悬浮颗粒物的上浮，提高泥水分离的效果。数量越多

［12］

的去除效果。

图3显示了在不同压力条件下COD的去除率情况。由图可知，在压力为0．4MPa以下时，随着压力的增大，处理效率也随之增加，去除率由45．3%上升到最高值86．2%，上升趋势比较明显。在压力COD去除率到达临界值。之后继达到0．4MPa时，续提高压力，对COD的去除率并无显著影响。实验结果表明，在一定范围内，压力可提高反应器内微生物对于有机物的降解作用。

图3

Fig．3

压力对COD去除率的影响

EffectofpressureonCODremovalefficiency

由亨利定律可知，压力越高，水中饱和溶解氧浓度越大。在同样供气条件下，提高系统压力，可增大

［15，16］

。由于供氧充氧转移速率，显著提高供氧能力

足，从而使反应器保持高浓度的微生物量并保持高

活性。从微生物角度来看，可能是压力的增大提高了溶解氧透过细菌细胞膜的能力及速度。在充足的溶解氧和快速的氧传质效率的作用下，大大加快了微生物的生化反应速度和生物活性。同时，提高了氧向生物膜内部渗透的能力，增大了好氧层的厚度。

图2Fig．2

不同压力条件下溶气罐出水SS值SSvalueofeffluentfromdissolvedairvesselatdifferentpressures

而在压力达到一定值后，压力的提升对于去除率无明显影响的原因可能是：（1）加压曝气生化反应依靠提高体系压力来提高氧传递速率，当生化反应受氧传递限制时，提高氧传递速率能有效提高生化反但当氧传递速率提高到一定程度后，使其不应速率，

再成为反应的速度控制步骤时，再通过提高压力的手段来增大氧传递速率对生化反应的影响不明［17］

显；（2）由于生化反应速率的提高，废水内的有机物迅速消耗，在进水浓度不变的条件下，污水中的有机物已不能满足微生物生长的需求，造成有机负微生物开始进行内源呼吸，从而影响了反应荷过低，

2．2

压力对COD去除率的影响

在加压曝气生物反应器中，压力对微生物生理代谢功能的影响尚未有明确研究。已有研究表［13，14］

，细菌在溶液中可以适应相当高的压力，在明

加压状态下生物反应器活性生物膜的厚度可达到5mm而不脱落，微生物生长状态良好，表现出非常高

10

54

器对有机物的去除效率。

环境工程学报第8卷

加压是提高反应器去除有机物效果的关键。考虑到高压对反应装置材料的高要求、高压引起的能耗增加因素以及压力对于竖流气浮池泥水分离效果

选定压力的优化参数为0．4MPa。的影响，2．3

HＲT对COD去除率的影响

水力停留时间决定了有机物在生物反应器中的

停留时间，即微生物与有机物接触进行生化反应的

从而使COD去除率增加的趋势减缓。HＲT到达最

大值后，反应器内的微生物可能进入内源呼吸期，从而影响COD的去除效率。

对于生活污水来说，传统活性污泥法曝气池的DAF的生化停留时间而PA-停留时间为一般为6h，为2h以下，处理速率更快速。HＲT对设备大小、投资规模、及运行费用都有重要影响，在处理水量保持不变的条件下，延长HＲT可以提高处理效果，但会

DAF的重要参数之一。本文中所指水增大反应器的容积和占地面积，时间，是PA-使基础设施的投资

力停留时间皆为污水在压力溶气罐内的停留时间。费用增加。而HＲT太短，会影响微生物对有机物的本实验通过调整出水流量来控制HＲT，在进水COD降解从而影响出水水质以及稳定性。因此，选定浓度300～400mg/L，压力0．4MPa，曝气量5L/minHＲT的优化参数为1．5h，即出水流量为1L/min。

0．75、1．0、1.25、2．4气水比对COD去除率的影响的条件下，调整HＲT分别为0．5、

1.5和2．0h，2、1．5、1．2、对应出水流量分别为3、在一定压力下，气水比直接决定反应器内溶解1.0和0．75L/min时，考察HＲT对反应器COD去除率的影响。

氧浓度的高低。当气水比较小，因无法满足微生物

而影响对有机物的正常生化反应对溶解氧的需求，

如图4显示了反应器在不同HＲT条件下COD处理效果。所以适宜的气水比是工程应用上的一个

的去除率变化。由图4可知，当HＲT为0．5h时，重要参数。本实验在进水COD浓度300～400mg/

HＲT1．5h（出水流量1．0L/min）反应器去除率为最低值48．2%。当HＲT较小时，L，压力0．4MPa，COD的去除率有显著的提高，2∶1、3∶1、4∶1、随着HＲT的增加，当的条件下，分别控制气水比为1∶1、

HＲT为2h时，COD去除率达到最高值85．3%。当5∶1，2、3、4和5L/min的条件对应曝气量分别为1、HＲT在1．25～2．0h范围内变化时，COD去除率增

HＲT对COD去除率有加的趋势减缓。实验表明，

HＲT的提升对反应器去明显影响，到达一定值后，

除有机物的效果无明显影响。

下，考察了不同气水比对反应器去除有机物效果的影响。

图5显示了不同气水比条件下的COD去除效

COD去除率当气水比为1∶1时，果。由图5可知，

为最低值74．60%。随着气水比的升高，去除率显COD去除率达到最大值著提升。气水比为3∶1时，

90．89%。之后随着气水比的提高，增加趋势不明显，去除率无明显变化。气水比为5∶1时，去除率略微有所下降。

在压力保持0．4MPa不变的条件下，随着气水比的提升，即加大了单位时间内的曝气量，使反应器内

图4Fig．4

HＲT对COD去除率的影响

EffectofHＲTonCODremovalefficiency

的溶解氧浓度增大。反应器内微生物在充足溶解氧的环境和充分有机物的条件下，微生物的生化反应速度快，有机物的消耗迅速，因此COD的去除效率能迅

反应器内的溶解氧已速提高。当气水比达到3∶1时，

经达到较高的浓度，再继续提高气水比，可能会使反

应器内的溶解氧浓度过高，曝气过量，影响微生物的活性，并可能因曝气量太大而使附着在填料上的生物膜脱落，因此，当气水比达到3∶1之后，继续提高气水比，反应器对COD的去除率提升不明显。

气水比作为影响COD去除率的一个重要参数，对设备的电能消耗、运行成本等经济指标有重要影

HＲT是微生物与有机物进行生化反应的时间，当HＲT过短时，污水中的有机物未能被反应器中的

COD去除微生物充分消耗，所以随着HＲT的提高，率显著提高。由于反应器内微生物活性较好，生化

反应速度快，有机物消耗较为迅速，当HＲT过长，即生化反应时间过长时，污水内可用于微生物作用的有机物偏少，有机负荷偏低，造成污泥老化、解体等，

第3期张其殿等：加压溶气生化气浮法降解生活污水中有机物

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（GB19918-2002）一级标准。准》

在一般情况下，传统活性污泥法的容积负荷为0．6kg/（m3·d）左右，而加压溶气气浮法容积负荷

3

可达2．0～5．5kg/（m·d），提高3～9倍，容积负荷的提高可减少基建成本及费用。

值得注意的是，在COD去除效果良好、快速的NH3-N的去除效果并不理想。最低NH3-N出同时，

水浓度仅为15．6mg/L，且效果不稳定，波动较大，

图5气水比对COD去除率的影响平均去除率最高仅为50%左右。分析原因可能为，Fig．5EffectofG/WonCODremovalefficiency（1）压力容器罐内的溶解氧浓度过高。巩有奎等［7］

DO浓度的研究成果表明，在0．3MPa压力条件下，

NH3-N的脱氮效果可以达到响。在常规的活性污泥法中，气水比一般需要10∶1的最佳值为6．0mg/L，NH3-N的去除主要通过硝化～20∶1才能达到理想的去除效果。而PA-DAF的85%。在加压条件下，

溶解氧是硝化作用中不可缺少的要素，同气水比为3∶1～5∶1。实验表明，与传统活性污泥法反应进行，

降低气水比的同时，反应器对有机物的去除率时也是维持硝化细菌生长代谢的重要因子。在普通相比，

DO浓度为2．0～2．5mg/L时［18］，可进DAF降低了对于曝气量的曝气条件下，保持了良好的效果。PA-可能会对硝化行充分的硝化作用。但过高的浓度，减少了对能耗的消耗。需求，

结合气水比对COD去除率的影响的研究，选取

DAF运行的优化参数。气水比3∶1作为PA-菌产生抑制作用。（2）硝化菌的代谢需要消耗无机

碳源，可能是污水内无机碳源的缺少抑制了硝化菌对氨氮的去除效果。（3）增长速率较快的异养菌与

更易获得溶解氧及生存空间，氨化菌及硝化菌相比，

［19，20］

。使得氨化反应及硝化反应难以稳定

3实际生活污水处理

通过前期对反应器各重要参数的研究，对实际

生活污水的处理效果进行了实验。在压力0．44结论MPa，HＲT1．5h（Q=1．0L/min），气水比3∶1的条

（1）提出一种快速、高效、低耗的加压溶气生化件下，连续运行一段时间，期间每日监测COD的出

气浮反应器，将加压曝气生化处理技术与加压溶气水情况，并考察了氨氮的变化。

气浮工艺耦合。验证了气浮法解决加压曝气生化处

理技术后绪泥水分离问题的可行性，实现了COD的快速去除及泥水混合物的快速分离。

（2）对反应器在工程运用上的重要影响因素进行了单因素实验，研究了压力、停留时间、气水比对有机物去除效率的影响。

（3）在压力0．4MPa，HＲT1．5h（Q=1．0L/min），PA-DAF去气水比3∶1的条件下稳定运行，除有机物效果稳定，去除率保持在90%左右。有机

3

物容积负荷达2．0～5．5kg/（m·d）。显著降低了

达到了节约能耗的效果，在工程运用上有广气水比，

N去除效果不理想，阔前景。NH3-出水浓度在15～25mg/L，后续实验将调整有机负荷、污泥浓度及曝气量，调整压力溶气罐内的溶解氧浓度及投加无机

N的出水效果。考察NH3-碳源调整碱度，参考文献

图6

Fig．6

最佳工况出水效果

Qualityofeffluentunderoptimalconditions

连续稳定运行条件下出水效果如图6所示。在

NH3-N30～40进水条件为COD147～400mg/L，

mg/L的情况下，COD出水水质稳定，基本保持在50

mg/L以下，满足《城镇污水处理厂污染物排放标［1］EllisK．V．，MortimerG．H．，BerktayA．Biological

1056

环境工程学报第8卷

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加压溶气生化气浮法降解

生活污水中有机物

张其殿

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刘淑杰

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1

（1．浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江省固体废物处理与资源化重点实验室，杭州310018；2．深圳清华大学研究院，

深圳市工业应用分离技术重点实验室，深圳市环境微生物资源开发与应用工程实验室，深圳518057）摘要将加压曝气生物氧化技术与加压溶气气浮工艺相结合，开发了一种快速处理生活污水的加压溶气生化气浮DAF），反应器（PA-并考察了反应器的泥水分离效果及压力、水力停留时间（HＲT）、气水比对其去除生活污水内有机物的影

HＲT1．5h（Q=1．0L/min），响。实验结果表明，在压力0．4MPa，气水比3∶1的条件下，生活污水COD去除率可稳定在

90%左右。同时发现，NH3-N去除效果不理想，有待后续研究进行优化。

关键词加压溶气生化气浮反应器生活污水有机物

中图分类号

X703．1

文献标识码

A

9108（2014）03-1051-06文章编号1673-

Degradationoforganiccompoundsindomesticsewagebypressured

aeration-dissolvedairflotationreactor

ZhangQidian1

LiuShujie2

LuSonglin2

ChenFuming2

YangChunping1

（1．ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofSolidWasteTreatmentandＲecycling，CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，ZhejiangGongshangUniversity，Hangzhou310018，China；2．ShenzhenKeyLaboratoryofSeparationTechnology，ShenzhenEngineeringLaboratoryforEnvironmentalMicrobiologyUtilization，ＲesearchInsituteofTsinghuaUniversityinShenzhen，Shenzhen518057，China）

AbstractApressuredaeration-dissolvedairflotationreactor（PA-DAF）wasdevelopedbycombiningthepressurizedaerationbio-oxidationtechnologyandthedissolvedairflotationprocess．Thesludge-waterseparation

andtheeffectsofpressure，hydraulicretentiontime（HＲT）andgas-waterratioontheremovalefficiencyoforgan-iccompoundswereinvestigated．TheresultsshowedthattheCODremovalefficiencywasupto90%whenthe

HＲTandgas-waterratioweremaintainedat0．4MPa，1．5hand3∶1，respectively．Nevertheless，thepressure，

removalefficiencyofNH3-Nneedstobeoptimizedinthefurtherresearch．

Keywordspressuredaeration-dissolvedairflotationreactor；domesticsewage；organiccompounds

加压生物氧化技术采用加压曝气的方式，提高供氧能力

［1］

及氧传递效率。由于其具有可以增大

DAF的可行性，要研究PA-并考察其对生活污水中

有机物的降解效果与影响因素，在此基础上为该新工艺的推广提供相关运行参数。

提高进水浓度及微生物的生物反应器的污泥负荷，

生化反应速率，缩小水力停留时间，降低工程造价

［2-5］

等优点，受到广泛关注。由于加压曝气之后，

［6］

1材料和方法

实验装置与流程

活性污泥絮体被完全打碎

，后续的泥水沉淀分离1．1

所以在加压曝气单元之后往往要使用一难度增大，

了运行成本和占地面积。

实验使用的压力溶气罐内径为450mm，高为

［7］［8，9］有效容积为90L。竖流气浮池由有机玻璃，个较大体积的沉淀池，甚至是脱气装置增加900mm，

为改进现有技术的不足，本研究旨在开发一种DAF），加压溶气生化气浮反应器（PA-即较常规加

基金项目：深圳市重点实验室（三大产业）资助项目（CXB201104-250056A）

收稿日期：2013－05－16；修订日期：2013－07－02

作者简介：张其殿（1987～），男，硕士研究生，研究方向为水污染控

mail：zqd0706@gmail．com制技术。E-E-mail：shuiyun16@163．com*通讯联系人，

压曝气工艺更为简单、高效的加压曝气气浮分离一

体化的新工艺组合。处理装置以加压曝气生物氧化工艺为原型，与加压溶气气浮技术相结合。本文主

10

52

环境工程学报第8卷

加工而成，直径为400mm，高为200mm。其中接触区直径为100mm，高为400mm，分离区直径为400mm，高为800mm。

实验流程如图1所示。污水由格栅池抽送进入

经泥水调节池与气浮池带有液位控制器的集水箱，

分离室排出的污泥充分混合，之后隔膜泵再把这部

分泥水混合物抽送至压力溶气罐内。泥水混合物在

进入竖溶气罐内经过一定时间的加压生化反应后，

流气浮池，进行泥水分离。浮出的污泥经排渣槽流出进入泥水调节池，完成污泥回流。压力容器罐底部装有微孔曝气装置，由空压机提供压力溶气罐内所需的压力和微生物生长所需的溶解氧。所用原水

NH3-N、pH在集水池内进行调节，的COD、以保证实验在相对稳定的条件下运行。

图1

Fig．1

实验装置与流程

Experimentaldevicesandprocessflowchart

1．2

自动控制系统件下稳定运行后多次测量的平均值。

PA-DAF采用恒压供水的方式进行自动化控1．5接种污泥、挂膜及实验的启动

制。压力溶气罐内的压力传感器设置恒定压力后，溶气罐内装有组合式双环填料，供生物挂膜，比

23

根据罐内压力的变化，调节进水水泵的流量，罐内液表面积350m/m，挂膜高度500mm，间隔60mm，位在小范围内波动，以此保持罐内压力恒定。罐内填充率20%。以深圳市西丽再生水厂的污泥为接压力不变，出水流量也不变。空压机出气口安装减种污泥，在压力溶气罐内闷曝2d后，加入葡萄糖、压阀，保持空压机出气压力与流量基本保持不变。氯化铵和磷酸二氢钾混合而成的C∶N∶P=100∶5∶1通过自动控制系统，保证实验条件（压力、出水流的营养液，以提供微生物生长所需的营养。期间每曝气量）的稳定。量、

1．3实验用水

实验以生活污水为研究对象，污水取自深圳市南山区西丽镇白芒村白芒污水处理厂格栅池过滤出水。在实验研究期间，格栅过滤后生活污水的主要

天曝气停止静置一定时间后取上清液测定COD，待

去除率达到一定程度并稳定，镜检显示生物相稳定且良好，则认为活性污泥培养及挂膜成功，再进行后续实验。

SS159～205水质指标为COD147～400mg/L，

mg/L，NH3-N12～34mg/L，pH6．0～8．0。实验水2．1气浮效果探讨温总体保持在25～30℃左右。实验用水分2部分：实验分别研究了3种絮凝剂：硫酸铁、氯化铁、

DAF中竖流气浮池泥水分一部分为实际生活污水；另一部分为往实际生活污聚合氯化铝（PAC）对PA-水内加入葡萄糖（碳源）、氯化铵（氮源）、磷酸二氢离效果的影响。絮凝剂配成溶液，采用湿法投加，控钾（磷源）配制的原水。

1．4实验方法

制压力0．3MPa。用1000mL量筒接取压力溶气罐排放口的出水，投加少量絮凝剂后，静置3min，测定

2实验结果与讨论

（1）水质指标测定。COD：快速密闭催化消解-量筒底部澄清水样SS值。确定絮凝剂的选择后，调

N：钠氏试剂分光光度法；SS：整压力分别为0．1、紫外分光光度法；NH3-0．2、0．3、0．4和0．5MPa，采用

［10］

同样方法，测定量筒底部水样的SS值，考察在各压重量法；pH：精密试纸。

（2）实验数据。本文中所用实验数据均为各条

力条件下竖流气浮池的泥水分离效果。

第3期张其殿等：加压溶气生化气浮法降解生活污水中有机物

10

53

SS为13～19mg/L，的生物活性。本实验控制HＲT1h，投入PAC后静置的水样，曝气量5L/min，

均值16mg/L，投入硫酸铁和氯化铁的水样SS值分投入一定量的PAC作为絮凝剂，考察在压力分别为

15～30mg/L，2、0．3、0．4和0．5MPa条件下，别为18～38mg/L，均值分别为280．1、反应器对CODmg/L和23mg/L，对比可知硫酸铁与氯化铁的泥水处理效果不及PAC。这可能是因为压力溶气罐的

出水SS值较大，且经生化处理后可能含有尺寸极小的颗粒，而PAC能够提供大量的络合离子，使得微粒脱稳，并强烈吸附胶体微粒，使胶体凝聚，发生混凝凝聚作用，从而形成较大尺寸的絮体颗粒，进而增

［11］

大了颗粒与气泡之间的碰撞效率，更利于粘附上浮。

图2显示了在不同压力条件下，压力溶气罐的出水投入PAC静置后的SS值。由图可知，当压力SS值达到最大，为0．1MPa时，最大值为25mg/L。

SS值随压力从0．1MPa调整至0．5MPa的过程中，且变化趋势减缓。当压力为着压力的升高而降低，

0．5MPa时，压力溶气罐出水的SS值达到最低，最压力对泥水分离的效果低值16mg/L。由此可知，有显著影响，随着压力的增大，泥水分离的效果越来越好。这是因为在压力溶气罐内经过加压后的溶气水排出后，骤然释压，在常压下析出并形成数量众多的微气泡，这些微气泡与水中的悬浮颗粒物碰撞粘附后上升。而压力越大，释放出的微气泡尺寸越小、，更有利于悬浮颗粒物的上浮，提高泥水分离的效果。数量越多

［12］

的去除效果。

图3显示了在不同压力条件下COD的去除率情况。由图可知，在压力为0．4MPa以下时，随着压力的增大，处理效率也随之增加，去除率由45．3%上升到最高值86．2%，上升趋势比较明显。在压力COD去除率到达临界值。之后继达到0．4MPa时，续提高压力，对COD的去除率并无显著影响。实验结果表明，在一定范围内，压力可提高反应器内微生物对于有机物的降解作用。

图3

Fig．3

压力对COD去除率的影响

EffectofpressureonCODremovalefficiency

由亨利定律可知，压力越高，水中饱和溶解氧浓度越大。在同样供气条件下，提高系统压力，可增大

［15，16］

。由于供氧充氧转移速率，显著提高供氧能力

足，从而使反应器保持高浓度的微生物量并保持高

活性。从微生物角度来看，可能是压力的增大提高了溶解氧透过细菌细胞膜的能力及速度。在充足的溶解氧和快速的氧传质效率的作用下，大大加快了微生物的生化反应速度和生物活性。同时，提高了氧向生物膜内部渗透的能力，增大了好氧层的厚度。

图2Fig．2

不同压力条件下溶气罐出水SS值SSvalueofeffluentfromdissolvedairvesselatdifferentpressures

而在压力达到一定值后，压力的提升对于去除率无明显影响的原因可能是：（1）加压曝气生化反应依靠提高体系压力来提高氧传递速率，当生化反应受氧传递限制时，提高氧传递速率能有效提高生化反但当氧传递速率提高到一定程度后，使其不应速率，

再成为反应的速度控制步骤时，再通过提高压力的手段来增大氧传递速率对生化反应的影响不明［17］

显；（2）由于生化反应速率的提高，废水内的有机物迅速消耗，在进水浓度不变的条件下，污水中的有机物已不能满足微生物生长的需求，造成有机负微生物开始进行内源呼吸，从而影响了反应荷过低，

2．2

压力对COD去除率的影响

在加压曝气生物反应器中，压力对微生物生理代谢功能的影响尚未有明确研究。已有研究表［13，14］

，细菌在溶液中可以适应相当高的压力，在明

加压状态下生物反应器活性生物膜的厚度可达到5mm而不脱落，微生物生长状态良好，表现出非常高

10

54

器对有机物的去除效率。

环境工程学报第8卷

加压是提高反应器去除有机物效果的关键。考虑到高压对反应装置材料的高要求、高压引起的能耗增加因素以及压力对于竖流气浮池泥水分离效果

选定压力的优化参数为0．4MPa。的影响，2．3

HＲT对COD去除率的影响

水力停留时间决定了有机物在生物反应器中的

停留时间，即微生物与有机物接触进行生化反应的

从而使COD去除率增加的趋势减缓。HＲT到达最

大值后，反应器内的微生物可能进入内源呼吸期，从而影响COD的去除效率。

对于生活污水来说，传统活性污泥法曝气池的DAF的生化停留时间而PA-停留时间为一般为6h，为2h以下，处理速率更快速。HＲT对设备大小、投资规模、及运行费用都有重要影响，在处理水量保持不变的条件下，延长HＲT可以提高处理效果，但会

DAF的重要参数之一。本文中所指水增大反应器的容积和占地面积，时间，是PA-使基础设施的投资

力停留时间皆为污水在压力溶气罐内的停留时间。费用增加。而HＲT太短，会影响微生物对有机物的本实验通过调整出水流量来控制HＲT，在进水COD降解从而影响出水水质以及稳定性。因此，选定浓度300～400mg/L，压力0．4MPa，曝气量5L/minHＲT的优化参数为1．5h，即出水流量为1L/min。

0．75、1．0、1.25、2．4气水比对COD去除率的影响的条件下，调整HＲT分别为0．5、

1.5和2．0h，2、1．5、1．2、对应出水流量分别为3、在一定压力下，气水比直接决定反应器内溶解1.0和0．75L/min时，考察HＲT对反应器COD去除率的影响。

氧浓度的高低。当气水比较小，因无法满足微生物

而影响对有机物的正常生化反应对溶解氧的需求，

如图4显示了反应器在不同HＲT条件下COD处理效果。所以适宜的气水比是工程应用上的一个

的去除率变化。由图4可知，当HＲT为0．5h时，重要参数。本实验在进水COD浓度300～400mg/

HＲT1．5h（出水流量1．0L/min）反应器去除率为最低值48．2%。当HＲT较小时，L，压力0．4MPa，COD的去除率有显著的提高，2∶1、3∶1、4∶1、随着HＲT的增加，当的条件下，分别控制气水比为1∶1、

HＲT为2h时，COD去除率达到最高值85．3%。当5∶1，2、3、4和5L/min的条件对应曝气量分别为1、HＲT在1．25～2．0h范围内变化时，COD去除率增

HＲT对COD去除率有加的趋势减缓。实验表明，

HＲT的提升对反应器去明显影响，到达一定值后，

除有机物的效果无明显影响。

下，考察了不同气水比对反应器去除有机物效果的影响。

图5显示了不同气水比条件下的COD去除效

COD去除率当气水比为1∶1时，果。由图5可知，

为最低值74．60%。随着气水比的升高，去除率显COD去除率达到最大值著提升。气水比为3∶1时，

90．89%。之后随着气水比的提高，增加趋势不明显，去除率无明显变化。气水比为5∶1时，去除率略微有所下降。

在压力保持0．4MPa不变的条件下，随着气水比的提升，即加大了单位时间内的曝气量，使反应器内

图4Fig．4

HＲT对COD去除率的影响

EffectofHＲTonCODremovalefficiency

的溶解氧浓度增大。反应器内微生物在充足溶解氧的环境和充分有机物的条件下，微生物的生化反应速度快，有机物的消耗迅速，因此COD的去除效率能迅

反应器内的溶解氧已速提高。当气水比达到3∶1时，

经达到较高的浓度，再继续提高气水比，可能会使反

应器内的溶解氧浓度过高，曝气过量，影响微生物的活性，并可能因曝气量太大而使附着在填料上的生物膜脱落，因此，当气水比达到3∶1之后，继续提高气水比，反应器对COD的去除率提升不明显。

气水比作为影响COD去除率的一个重要参数，对设备的电能消耗、运行成本等经济指标有重要影

HＲT是微生物与有机物进行生化反应的时间，当HＲT过短时，污水中的有机物未能被反应器中的

COD去除微生物充分消耗，所以随着HＲT的提高，率显著提高。由于反应器内微生物活性较好，生化

反应速度快，有机物消耗较为迅速，当HＲT过长，即生化反应时间过长时，污水内可用于微生物作用的有机物偏少，有机负荷偏低，造成污泥老化、解体等，

第3期张其殿等：加压溶气生化气浮法降解生活污水中有机物

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（GB19918-2002）一级标准。准》

在一般情况下，传统活性污泥法的容积负荷为0．6kg/（m3·d）左右，而加压溶气气浮法容积负荷

3

可达2．0～5．5kg/（m·d），提高3～9倍，容积负荷的提高可减少基建成本及费用。

值得注意的是，在COD去除效果良好、快速的NH3-N的去除效果并不理想。最低NH3-N出同时，

水浓度仅为15．6mg/L，且效果不稳定，波动较大，

图5气水比对COD去除率的影响平均去除率最高仅为50%左右。分析原因可能为，Fig．5EffectofG/WonCODremovalefficiency（1）压力容器罐内的溶解氧浓度过高。巩有奎等［7］

DO浓度的研究成果表明，在0．3MPa压力条件下，

NH3-N的脱氮效果可以达到响。在常规的活性污泥法中，气水比一般需要10∶1的最佳值为6．0mg/L，NH3-N的去除主要通过硝化～20∶1才能达到理想的去除效果。而PA-DAF的85%。在加压条件下，

溶解氧是硝化作用中不可缺少的要素，同气水比为3∶1～5∶1。实验表明，与传统活性污泥法反应进行，

降低气水比的同时，反应器对有机物的去除率时也是维持硝化细菌生长代谢的重要因子。在普通相比，

DO浓度为2．0～2．5mg/L时［18］，可进DAF降低了对于曝气量的曝气条件下，保持了良好的效果。PA-可能会对硝化行充分的硝化作用。但过高的浓度，减少了对能耗的消耗。需求，

结合气水比对COD去除率的影响的研究，选取

DAF运行的优化参数。气水比3∶1作为PA-菌产生抑制作用。（2）硝化菌的代谢需要消耗无机

碳源，可能是污水内无机碳源的缺少抑制了硝化菌对氨氮的去除效果。（3）增长速率较快的异养菌与

更易获得溶解氧及生存空间，氨化菌及硝化菌相比，

［19，20］

。使得氨化反应及硝化反应难以稳定

3实际生活污水处理

通过前期对反应器各重要参数的研究，对实际

生活污水的处理效果进行了实验。在压力0．44结论MPa，HＲT1．5h（Q=1．0L/min），气水比3∶1的条

（1）提出一种快速、高效、低耗的加压溶气生化件下，连续运行一段时间，期间每日监测COD的出

气浮反应器，将加压曝气生化处理技术与加压溶气水情况，并考察了氨氮的变化。

气浮工艺耦合。验证了气浮法解决加压曝气生化处

理技术后绪泥水分离问题的可行性，实现了COD的快速去除及泥水混合物的快速分离。

（2）对反应器在工程运用上的重要影响因素进行了单因素实验，研究了压力、停留时间、气水比对有机物去除效率的影响。

（3）在压力0．4MPa，HＲT1．5h（Q=1．0L/min），PA-DAF去气水比3∶1的条件下稳定运行，除有机物效果稳定，去除率保持在90%左右。有机

3

物容积负荷达2．0～5．5kg/（m·d）。显著降低了

达到了节约能耗的效果，在工程运用上有广气水比，

N去除效果不理想，阔前景。NH3-出水浓度在15～25mg/L，后续实验将调整有机负荷、污泥浓度及曝气量，调整压力溶气罐内的溶解氧浓度及投加无机

N的出水效果。考察NH3-碳源调整碱度，参考文献

图6

Fig．6

最佳工况出水效果

Qualityofeffluentunderoptimalconditions

连续稳定运行条件下出水效果如图6所示。在

NH3-N30～40进水条件为COD147～400mg/L，

mg/L的情况下，COD出水水质稳定，基本保持在50

mg/L以下，满足《城镇污水处理厂污染物排放标［1］EllisK．V．，MortimerG．H．，BerktayA．Biological

1056

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